【正文】 ........................26 6 總結(jié)與 展望 .................................................................................................................29 總結(jié) .....................................................................................................................................................29 Zigbee 展望 ........................................................................................................................................29 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................31 致 謝： ..........................................................................................................................32 基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN： WirelessSensor Network）綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成的微型傳感器共同的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象中的信息，人們獲得信息的能力得到了極大的擴(kuò)展，它是 21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為一種新的無(wú)線連接技術(shù)在低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大和低速率領(lǐng)域開(kāi)辟了新的天地。它將傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)整合在一起，具有采 集信息，發(fā)送并處理信息等功能。： A07070389 基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：袁順剛 指導(dǎo)教師：董守田 所在院系：工程學(xué)院電氣工程系 所學(xué)專(zhuān)業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 研究方向：自動(dòng)控制 東 北 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 中國(guó)China June 2020基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 摘要 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、由多門(mén)學(xué)科高度交叉綜合的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，是 21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。為了促使簡(jiǎn)捷方便的、可以隨意使用的無(wú)線裝置大量出現(xiàn)，需要在這些應(yīng)用領(lǐng)域空間布置大量的無(wú)線接入點(diǎn)，因此低廉的價(jià)格將起到關(guān)鍵性作用。 本文所研究的內(nèi)容對(duì)基十 ZigBee 技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義，并為 ZigBee 無(wú)線技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域方面的應(yīng)用提供了相關(guān)的軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是由傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的。第四階段，伴隨著低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、無(wú)線電射頻技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)小體積、低成本、低能耗的微型傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中需要成千上萬(wàn)個(gè)這種微傳感器一起協(xié)調(diào)工作，它們之間通信的方式也由有線通信轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線通信，最終形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大主要體現(xiàn)在在很大區(qū)域內(nèi)，往往有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)布置在該區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，但節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的傳基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 輸距離較短，一般在幾十米范圍內(nèi)。為了方便實(shí)際應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件體積設(shè)計(jì)的比較小，便于安裝。在網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，一些節(jié)點(diǎn)由于電能耗盡或者其它的原因而遭到損壞，也可能由于工作的需要有新的節(jié)點(diǎn)設(shè)備被添加到網(wǎng)絡(luò)中，因而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化。 幾種無(wú)線通信技術(shù) 由于短距離無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)空間，因此得到眾多廠商的重視。 1）藍(lán)牙技術(shù)， 1998 年 5 月，愛(ài)立信、諾基亞、東芝、 IBM 以及英特爾 5 家公司在聯(lián)合開(kāi)展短距離無(wú)線通信活動(dòng)時(shí)提出了藍(lán)牙技術(shù)。它是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù)，能夠在上百米的范圍支持互聯(lián)網(wǎng)接入無(wú)線信號(hào)，為用戶(hù)提供無(wú)線寬帶上網(wǎng)。由于紅外技術(shù)需要對(duì)接才能通信，所以安全性比較高。它吸取了其它無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)，工作頻率基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 段為 。 WiFi 網(wǎng)絡(luò)傳輸快，傳輸距離達(dá)到 100 米，但是它的成本太高。 ZigBee 技術(shù) ZigBee 在中國(guó)被譯為“紫蜂”，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線通信新技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。 ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)速率低和通信范圍小的特點(diǎn)，也使得 ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。 2020 年 12 月， ZigBee 聯(lián)盟對(duì) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，推出升級(jí)規(guī)范 ZigBee2020。 基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn) ZigBee 技術(shù)主要專(zhuān)注于低速率、低功耗、低成本和時(shí)延短的無(wú)線市場(chǎng)，與其他幾種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比具有低速率、低功耗、低成本、時(shí)延短和高安全性等特點(diǎn)。 3） 延時(shí)短， ZigBee 的響應(yīng)速度很快，通信時(shí)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活的時(shí)延都非常短，一般只需 15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)所需要的時(shí)間僅為 30ms，進(jìn)一步減少了能源消耗。 6） 免執(zhí)照頻率， ZigBee 技術(shù)有三種傳輸頻率段，分別為 868MHz， 915MHz 和 ，共有 27 個(gè)信道。 zigbee 網(wǎng)絡(luò)系體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 Zigbee 棧體系結(jié)構(gòu)由一組稱(chēng)為層的塊兒組成。 基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 圖 11 Zigbee 協(xié)議框架 物理層定義了物理無(wú)線信道和 MAC 層的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)，其主要完成射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉；當(dāng)前信道的能量檢測(cè)；鏈路服務(wù)質(zhì)量信息；信道頻率選擇，以及物理層數(shù)據(jù)報(bào)的接收與發(fā)送。 網(wǎng)絡(luò)層允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；為設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的邏輯地址；建立和維護(hù)鄰居表。然后再全面深入分析了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，詳細(xì)說(shuō)明了物理層、 MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的功能和實(shí)現(xiàn)。 基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2 ZigBee 協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn) 物理層分析與實(shí)現(xiàn) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換所使用的無(wú)線信道在網(wǎng)絡(luò)分層中屬于物理層任務(wù)。數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ) 、 數(shù) 據(jù) 請(qǐng) 求 確 認(rèn) 原 語(yǔ) (status) 、 數(shù) 據(jù) 指 示 原 語(yǔ)。其主要任務(wù)是為了協(xié)調(diào)器建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)選擇信道的提供依據(jù)。 基于 Zigbee 技術(shù)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 ZigBee 的工作頻率范圍 ZigBee 所使用的三個(gè)工作頻段，每一頻段的寬度不同，其分配的信道個(gè)數(shù)也不同。一般來(lái)說(shuō)， ZigBee 設(shè)備不能同時(shí)兼容這 3 個(gè)工作頻段。 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量 前同步碼 幀定界符 幀長(zhǎng)度（ 7bit） 預(yù)留位（ 1bit） PSDU 同步 包頭 物理包頭 負(fù)載 圖 22 物理層數(shù)據(jù)包 物理層的數(shù)據(jù)單元是由同步包頭、物理層包頭和物理層有效載荷組成。物理包頭中的其中 7 位來(lái)表示幀長(zhǎng)度，也就是有效載荷的長(zhǎng)度，按照物理層有效載荷（ PSDU）不同，幀長(zhǎng)度可變。 PSDU 中含 MAC 子層幀。 MAC 層的主要功能包括如下幾個(gè)方面： 1） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能夠產(chǎn)生并發(fā)